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Die Bedeutung der Antriebstechnik

 

Die Bedeutung der Antriebstechnik im heutigen Maschinenbau

Beziehung zum Maschinenbau

Die Antriebstechnik befasst sich, allgemein ausgedrückt, mit technischen Lösungen zur Übertragung von Kräften und daraus resultierend der Erzeugung von Bewegungen. Dabei liegt der Fokus nicht unbedingt nur auf der Antriebsquelle selbst, sondern auch darauf, wie eine Maschine oder Teile einer Maschine mit Energie versorgt werden und wie einzelne Antriebselemente angesteuert werden können. Aus dem Maschinenbau ist die Antriebstechnik nicht wegzudenken, ist die Übertragung von Antriebskräften für eine Maschine doch essenziell wichtig. Laut Definition handelt es sich bei einer technischen Vorrichtung nämlich erst dann um eine Maschine, wenn sich Teile davon durch ein Antriebssystem bewegen. Vom Motor ausgehend, der heutzutage üblicherweise elektrische Energie in eine Bewegung umwandelt, muss die Bewegung über Antriebselemente bis an die Stelle geleitet werden, an der eine entsprechende Wirkung erzeugt werden soll. Häufig werden sogar mehrere kleine Motoren, insbesondere Servomotoren eingesetzt, um die einzelnen Bewegungsabläufe von einer entsprechenden Antriebsregelung gesteuert auszuführen. Auch im Bereich der Steuerungs- und Regelungstechnik und der Automatisierungstechnik werden präzise Antriebskomponenten benötigt. Um die Übertragung der Antriebsbewegung zu realisieren, sind zahlreiche Varianten von Antriebselementen auf dem Markt. Teilt man sie nach der Art der Kraftübertragung ein, so ergeben sich die drei Hauptgruppen der mechanischen, hydraulischen und elektrischen Getriebe. In diesem Artikel soll der Schwerpunkt auf den mechanischen Antrieben liegen, die sowohl formschlüssige als auch kraftschlüssige Getriebearten einschließen.

Linearantriebe

Charakteristisch für Linearantriebe ist, wie der Name bereits vermuten lässt, die translatorische oder lineare Bewegung der angetriebenen Maschinenkomponente. Oft wird hierbei die konstante Drehbewegung eines Elektromotors durch Verwendung eines Lineargetriebes in eine geradlinige Bewegung umgewandelt. Klassischerweise wird dafür eine Gewindestange oder ein Kugel- beziehungsweise Rollengewindegetriebe verwendet. Aber auch Hydraulikzylinder, Pneumatikzylinder und Linearmotoren eignen sich hervorragend für eine präzise steuerbare Linearbewegung. Zunehmend an Bedeutung gewinnt der Einsatz von Hexapoden, einer Vorrichtung mit sechs unabhängig voneinander steuerbaren linearen Antriebselementen. Sie ermöglichen Bewegungen in allen sechs Freiheitsgraden und werden vor allem in der Robotik und der Medizintechnik eingesetzt.

Kettenantriebe

Kettenantriebe gehören zu den formschlüssigen Getrieben. Sie arbeiten über ein Zugmittel, das heißt Kräfte werden von einem Kettenrad (dem Antriebsrad) über eine Kette (das Zugmittel) auf ein zweites Kettenrad (das Abtriebsrad) übertragen. Je nach Durchmesserverhältnissen der Kettenräder zueinander lassen sich Übersetzungen der Drehzahlen und der Geschwindigkeiten realisieren. Auch wechselbare Übersetzungen sind durch stufenweise Schaltgetriebe möglich, wie sie beispielsweise an Kettenschaltungen von Fahrrädern vorkommen. Kettenantriebe zeichnen sich durch ihre hohe Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit sowie ihre lange Lebensdauer aus. Ähnlich wie bei den Riemengetrieben lassen sich auch hier größere Wellenabstände mit vergleichsweise geringem Materialaufwand verbinden. Kettengetriebe eignen sich zur Übertragung hoher Kräfte beziehungsweise Drehmomente und ermöglichen aufgrund ihrer schlupffreien Arbeitsweise konstante Drehzahlen. Nachteile sind unter anderem höhere Laufgeräusche und das Auftreten von Schwingungen.

Riemenantriebe

Riemenantriebe gehören ebenfalls zu den Zugmittelgetrieben. Während ursprünglich Flachriemen eingesetzt wurden, um Drehmomente zwischen weit voneinander entfernten Getriebeteilen mittels Kraftschluss zu übertragen, wurden diese mittlerweile je nach Einsatzgebiet um formschlüssig arbeitende Riemenarten ergänzt. Heutzutage befinden sich vor allem Keilriemen, Keilrippenriemen, Rundriemen und Zahnriemen in ihren unterschiedlichsten Formen im Einsatz.

Keilriemen

Im Gegensatz zu Flachriemen, die eine rechteckigen Querschnitt aufweisen und damit bauartbedingt nur auf ihrer Stirnfläche Kräfte übertragen können, besitzen Keilriemen einen trapezförmigen Querschnitt. Somit kann über die Reibung auf ihren Flankenflächen Kraft übertragen werden. Die Anpresskräfte sind in der keilförmigen Rille der Riemenscheibe wesentlich höher als bei der flachen Stirnseite einer Flachriemenscheibe. Verstärkt werden Keilriemen durch innen liegende Textil- oder Stahleinlagen. Keilriemen sind häufig in Waschmaschinen für den Antrieb der Trommel sowie im Automobilbereich für den Antrieb der Lichtmaschine und der Wasserpumpe zu finden. Allerdings bauen Keilriemen relativ hoch und lassen sich daher schlecht für sehr kleine Umschlingungsradien einsetzen.

Keilrippenriemen / Poly-V-Riemen

Keilrippenriemen sind auch unter der Bezeichnung Poly-V-Riemen bekannt. Prinzipiell erfolgt die Kraftübertragung genau wie beim Keilriemen. Allerdings besitzt der Keilrippenriemen mehrere parallele V-förmige, in Längsrichtung verlaufende Rippen, die in den entsprechenden Rillen der Riemenscheibe ihr Gegenstück finden. In der Summe ergeben die vielen kleinen Flankenflächen zusammen eine sehr große nutzbare Fläche für die Kraftübertragung. Außerdem baut der Poly-V-Riemen flach und kann um relativ kleine Radien geführt werden. Damit eignet er sich für den Antrieb von mehreren Aggregaten gleichzeitig, wobei er meistens serpentinenförmig um die einzelnen Riemenscheiben geführt wird, um jeweils den notwendigen Umschlingungswinkel zu gewährleisten. Anders als beim einfachen Keilriemen werden hier zusätzlich automatische Spannsysteme benötigt, um eine konstante Riemenkraft aufrechtzuerhalten.

Zahnriemen

Zahnriemen übertragen Kräfte durch Formschluss. Auf der Innenseite der Riemen befinden sich Zähne, die in die entsprechende Zahnung des An- und Abtriebsrads greifen. Als Material für den Riemen wird in der Regel Polyurethan oder Chloropren-Kautschuk eingesetzt, die Innenseite wird aber oft zusätzlich mit einer abriebfesten Schicht versehen, die die Zähne vor zu schnellem Verschleiß schützen soll. Eingebettete Zugstränge aus Stahldraht, Glas- oder Aramidfasern nehmen hohe Zugkräfte auf. Durch die formschlüssige Kraftübertragung können Riemen mit Verzahnung dort eingesetzt werden, wo hohe Riemenkräfte übertragen werden müssen und kraftschlüssige Riemenarten wie Keil- oder Flachriemen durchrutschen würden. Außerdem eignen sie sich für Steuerungen oder Stelltriebe, da die Zahnung Schlupf verhindert. Wegen der synchronen Kraftübertragung werden sie inzwischen auch in Positioniersystemen, für Förder- und Transportaufgaben oder als Träger für Kontakte eingesetzt. Dabei kommen dann speziell auf die jeweilige Aufgabe abgestimmte Sonderbauformen wie beispielsweise mit Beschichtungen veredelte Riemen, Nockenzahnriemen, Abzugsriemen oder Vakuumzahnriemen zum Einsatz.

Nockenzahnriemen

Soll Stückgut unterschiedlichster Formen transportiert werden, können Mitnehmernocken auf PU-Zahnriemen aufgebracht werden. Die Form der Nocken und ihre Anzahl wird dabei speziell auf das Transportgut abgestimmt. Je nachdem, ob es sich immer um dieselben zu transportierenden Teile oder um verschiedene Formen handelt, können die Nocken entweder auf den Rücken des Riemens aufgeschweißt oder mithilfe von Wechselnockensystemen aufgeschraubt werden. Riemen mit geschraubten Nocken sind zwar aufwendiger in der Herstellung, haben jedoch den Vorteil, dass die Mitnehmernocken bei Bedarf ausgetauscht werden können. Das bietet ein Plus an Flexibilität.

Abzugsriemen

Überall dort, wo Endlosprofile extrudiert werden, beispielsweise bei der Herstellung von Kabeln, Rohren, Seilen, Drähten, Folien und anderen Extrusionsprodukten werden sogenannte Abzugsriemen benötigt. Diese sind für das Abziehen und den Transport des Abzugsguts verantwortlich. Hier sind Riemenwerkstoffe gefragt, die den großen Zug- und Anpresskräften, den hohen Geschwindigkeiten und oft auch hohen Temperaturen standhalten können. Je nach Beschaffenheit des Abzugsprodukts muss der Riemen in seiner Härte, seiner Abriebfestigkeit, seinen Mitnahmeeigenschaften und seiner Temperaturbeständigkeit auf die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Ein weiteres Anwendungsfeld für Abzugszahnriemen sind Schlauchbeutelmaschinen, bei denen das Verpackungsmaterial, meist eine Folie, an dem Einfüllstutzen der Verpackungsanlage entlang geführt werden muss, um befüllt, verschlossen und abgeschnitten werden zu können.

Vakuumzahnriemen

Vakuumriemen werden verwendet, wenn leichtere Teile transportiert werden sollen, wie beispielsweise in der Pharmaindustrie, beim Sortieren von Briefen oder beim Transport von Verpackungen und Folien. Der Riemen ist auf dem Rücken mit Nuten und Bohrungen ausgestattet, auf der Zahnseite befindet sich eine durchgehende Längsnut, an der ein Vakuum angelegt werden kann. Die Querbohrungen im Riemen leiten den Unterdruck an die Vertiefungen im Riemenrücken weiter, sodass die zu transportierenden Teile angesaugt und sicher transportiert werden können. Je nach Transportgut variieren die Vakuumzahnriemen in ihrer Breite, dem Material und den Loch- beziehungsweise Nutgeometrien.

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